InstallatIons Photovoltaïques - Dunod
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Anne Labouret, Michel VillozInstallationsphotovoltaïquesConception et dimensionnement d’installationsraccordées au réseau5e édition9782100572472-Livre-Labouret.indb 312/09/12 10:40
Photo de couverture : Attila Nemeth – Fotolia.com Dunod, Paris, 2012ISBN 978-2-10-057247-29782100572472-Livre-Labouret.indb 412/09/12 10:40
Table des matièresÀ propos des compléments en ligne 7Introduction 9Chapitre 1 : Énergie lumineuse et conversion photovoltaïque 151.1 La lumière sous toutes ses formes 151.2 Le rayonnement solaire terrestre 221.3 La conversion photovoltaïque 371.4 Le fonctionnement de la jonction photovoltaïque 47Chapitre 2 : Technologie des panneaux solaires 2.1 Cellules et panneaux au silicium cristallin 542.2 Cellules et panneaux au silicium en couche mince 802.3 Panneaux au CdTe 922.4 Panneaux au CIS et CIGS 952.5 Panneaux spéciaux 97Chapitre 3 : Équipements pour installations raccordéesau réseau Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.531073.1 Panneaux solaires 1083.2 Installation mécanique des panneaux 1143.3 Onduleurs 119Chapitre 4 : Systèmes basse puissance 1274.1 Étapes du projet 1274.2 Dimensionnement 1284.3 Exemple d’intégration 1354.4 Montage et câblage 1374.5 Effets d’ombrages 13959782100572472-Livre-Labouret.indb 512/09/12 10:40
Table des matières Chapitre 5 : Centrales de forte puissance 1415.1 Centrale en plein champ 1425.2 Toiture photovoltaïque 1725.3 Centrale à suiveurs 1795.4 Précision de la simulation 185Chapitre 6 : Suivi et maintenanced’une centrale photovoltaïque 1916.1 Centrale de forte puissance 1926.2 Centrale de basse puissance 196ANNEXESAnnexe 1 : Grandeurs physiques et unités 201Caractéristiques électriques d’un récepteur 201Rayonnement lumineux 202205Bibliographie 215Organismes et associations 217Index 219 Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.Annexe 2 : Données d’ensoleillement 69782100572472-Livre-Labouret.indb 612/09/12 10:40
À propos des compléments en ligneÀ proposdes compléments en ligneSont accessibles dans les compléments en ligne de cet ouvrage, sur le site internetwww.dunod.com : un accès privilégié au logiciel PVsyst, abondamment décrit dans cet ouvrage,sous forme d’une durée exceptionnelle de 2 mois d’essai gratuit de la dernièreversion complète (fonctionnant sous Windows). Cela permet ainsi de se familiariser avec ce logiciel très performant qui est considéré aujourd’hui comme laréférence pour de nombreux professionnels et institutions financières ; de nombreuses références sur : les statistiques de production du photovoltaïque, les producteurs de panneaux solaires, d’onduleurs, les fiches techniques des matériels, les sites gratuits et payants proposant des statistiques d’ensoleillement, les normes en vigueur, les organismes de certification, les laboratoires de recherche, les formations, les salons et conférences ; Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit. des newsletters et des revues professionnelles pertinentes.79782100572472-Livre-Labouret.indb 712/09/12 10:40
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IntroductionIntroduction Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.L’utilisation photovoltaïque de l’énergie solaire consiste à convertir directement lerayonnement lumineux en électricité. Elle emploie pour ce faire des modules oupanneaux photovoltaïques, composés de cellules solaires ou de photopiles qui réalisent cette transformation d’énergie. La conversion photovoltaïque est basée surl’absorption de photons dans un matériau semi-conducteur qui fournit des chargesélectriques, donc du courant, dans un circuit extérieur (cf. chapitre 1).Figure 1 – Les différents modes d’exploitation de l’énergie solaire.99782100572472-Livre-Labouret.indb 912/09/12 10:40
Introduction L’énergie solaire thermique, quant à elle, produit de la chaleur à partir du rayonnement solaire infrarouge du Soleil afin de chauffer de l’eau, de l’air ou un autre fluide.La technologie est plus simple que le photovoltaïque, donc moins onéreuse. Il s’agitde capter les calories grâce à des surfaces absorbantes de la chaleur, des tubes métalliques peints en noir par exemple. Cela permet de réaliser des chauffe-eau solairesindividuels ou collectifs.L’énergie solaire thermodynamique, quant à elle, concerne de grandes centraleséquipées de concentrateurs des rayons solaires, sous forme de miroirs galbés, dontla fonction est de chauffer un fluide à haute température (plusieurs centaines dedegrés) afin de générer de la vapeur par échange thermique pour ensuite produirede l’électricité au moyen d’une turbine à vapeur par exemple.Ces aspects thermiques de l’énergie solaire ne sont pas traités dans cet ouvrage,qui est strictement dédié à l’énergie photovoltaïque, et plus particulièrement auxinstallations connectées au réseau.Faut-il nécessairement du soleil pour produire du courant ?La réponse est non, bien entendu. Sinon, on ne pourrait pas employer le photovoltaïque dans nos pays tempérés. Toute source de lumière peut être convertie enélectricité. Le terme énergie solaire est donc un peu faux, certains préféreront pourcette raison l’expression énergie lumière. Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.Ceci dit, le Soleil étant la source la plus intense de notre environnement, la production est toujours supérieure sous exposition au soleil. On dispose, très nettement,de moins de flux lumineux en intérieur (dans un bâtiment, sous éclairage artificiel)et les applications ne peuvent pas être les mêmes. Notre pupille, elle, s’adapte auxdivers éclairements et atténue ces contrastes lumineux. Schématiquement, si l’onattribue le chiffre 1 000 à un ensoleillement maximum de type « temps radieux »,correspondant à un flux solaire de 1 000 W/m2, un ciel nuageux, quant à lui, rayonnera entre 100 et 500 (100 à 500 W/m2), et une ambiance intérieure entre 1 et 10 (100à 1 000 lux). Dans une ambiance intérieure, on pourra développer des applicationsélectroniques, horlogères et autres, de très faible consommation électrique.La quantité d’énergie solaire disponible en extérieur est aussi très variable d’un paysà l’autre, d’une région à l’autre, d’une saison à l’autre. Sur une journée complète, leSoleil fournit sur Terre de 0 à 7 kWh/m 2 de rayonnement incident. Connaître etquantifier précisément cette énergie lumineuse est indispensable à la maîtrise del’énergie photovoltaïque. Nous y revenons au chapitre 1.Qu’est-ce qu’un panneau photovoltaïque ?Un panneau (ou module) photovoltaïque est un bloc composé de plusieurs cellulesgénéralement montées sous une plaque de verre, d’une dimension de 0,1 à 3 m2109782100572472-Livre-Labouret.indb 1012/09/12 10:40
Introductiontypiquement. Ces panneaux ont pour fonction de réunir assez de cellules pourcréer un convertisseur d’énergie, ces cellules devant être protégées des chocs etdes intempéries. Leur puissance varie selon le nombre et la taille des cellules quiles composent, de 1 à 300 W typiquement. Pour disposer de plus de puissance surune installation, on associe plusieurs modules en créant un champ photovoltaïque.Les panneaux photovoltaïques ne seront pas les mêmes selon les applications, lestechnologies étant adaptées, pour certaines, aux moyens et forts éclairements (souséclairement naturel) et, pour d’autres, aux faibles éclairements (sous éclairementintérieur).Le chapitre 2 détaille les technologies de ces cellules, panneaux, et la façon decomposer des champs photovoltaïques.Le courant produit est-il continu ou alternatif ?Les cellules solaires et les modules photovoltaïques produisent de l’électricité encourant continu (DC Direct Current) comme les batteries, et non pas commecelle du secteur, qui en France est en courant alternatif 220 VAC (AC AlternativeCurrent) à la fréquence de 50 Hz. Pour alimenter des appareils en courant alternatif ou pour se connecter au réseau et y injecter l’électricité produite à partir del’énergie photovoltaïque, on a donc besoin de convertisseurs DC/AC qui produisentun courant alternatif à partir du continu, autrement dit des onduleurs.Les tensions continues générées par les panneaux photovoltaïques disponibles surle marché sont variables selon leur emploi : pour la charge de batteries au plomb, lespanneaux sont en 12 V ou 24 V, alors que pour la connexion au réseau leur tensionest souvent plus élevée, 40 ou 72 V par exemple, selon la taille du champ solaire quisera construit et la tension d’entrée de l’onduleur. Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.Faut-il stocker l’énergie ?Les panneaux solaires ne sont que des convertisseurs d’énergie et non des réservoirs(comme les piles). Ils transforment l’énergie mais ne la stockent pas. Si l’application demande de l’énergie en dehors des périodes de production, c’est-à-dire dansl’obscurité, il faudra nécessairement la récupérer dans un stockage (batterie, accumulateur) ou sur une autre source d’énergie.Les applications possibles sans batterie fonctionnent soit en alimentation directe (enprésence de lumière uniquement), soit grâce à un stockage hydraulique (pompagede l’eau), soit lorsque l’installation est connectée au réseau (objet de cet ouvrage).Dans tous les autres cas, une batterie de stockage sera employée pour fournir del’électricité dans l’obscurité et également lorsque le courant demandé est supérieur au courant fourni à cet instant par les panneaux (démarrage d’un moteurpar exemple).119782100572472-Livre-Labouret.indb 1112/09/12 10:40
Introduction De quoi se compose un générateur photovoltaïque ?Les systèmes photovoltaïques se répartissent en deux grandes catégories : les installations raccordées au réseau dont l’électricité produite est injectée dansle réseau collectif (EDF ou autre) ; les installations autonomes destinées à alimenter un appareil sans fil, ou un siteisolé, non raccordé au secteur.Dans cette deuxième catégorie, on trouve tous les systèmes sur batterie : électrification rurale en site isolé, chalets, sites insulaires, alimentations de relais télécoms,signalisation, appareils de mesure ainsi que les systèmes en alimentation directe,sans batterie, comme certaines ventilations, calculettes et systèmes de pompage.Dans le cas des pompes photovoltaïques, le stockage est hydraulique : la pompefonctionne « au fil du soleil », monte l’eau dans une citerne qui sert de réservoir pourfournir de l’eau à la demande, même en dehors des périodes de fonctionnement dela pompe. Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.Le présent ouvrage concerne la première catégorie, soit les installations photo voltaïques raccordées au réseau. Ces installations, au lieu d’alimenter directementdes appareils sur place, injectent leur production électrique dans un réseau collectifcomme celui de l’EDF en France. Les panneaux s’installent soit sur des châssis posésau sol (centrales solaires), soit sur des habitations ou des bâtiments professionnelsayant de la place, et de préférence qui bénéficient d’un bon ensoleillement. L’autorisation de se connecter et la signature d’un contrat de rachat du courant par lacompagnie d’électricité sont indispensables pour réaliser et rentabiliser l’opération. Dans un système autonome, la production est écrêtée lors des périodes de fortensoleillement, puisque dès que la batterie est pleine, l’excédent d’énergie fournieest perdu (essentiellement en été sous nos latitudes). À l’opposé, l’énorme avantaged’une installation raccordée au réseau, c’est que le réseau joue le rôle de « stockageillimité », et donc l’intégralité de l’énergie produite dans l’année est récupérée.L’électricité produite par les panneaux solaires en courant continu doit cependantêtre mise en forme en courant alternatif au travers d’un onduleur DC/AC qui doitêtre soigneusement conçu, dimensionné, et respecter des normes de qualité et desécurité.Si le site de production est également un site de consommation (une habitationpar exemple), il y a deux solutions possibles : soit la vente de la totalité du courantproduit et la consommation par ailleurs du courant fourni par la compagnie, soit lavente seulement du surplus de courant non consommé. Souvent la première solutionest plus rentable pour le propriétaire du générateur photovoltaïque raccordé, toutsimplement parce que le tarif de rachat de son courant photovoltaïque par la compagnie d’électricité est nettement plus élevé (jusqu’à 0,60 /kWh en 2009 en France,129782100572472-Livre-Labouret.indb 1212/09/12 10:40
Introductionmoins par la suite) que celui auquel il lui achète de façon traditionnelle. D’autressystèmes d’aide à l’investissement existent également : des prêts avantageux pourfinancer les nouvelles installations, des subventions régionales, des crédits d’impôt,TVA réduite selon les pays.En quoi le photovoltaïque participe-t-il au développement durable ?Les énergies renouvelables en général et le photovoltaïque en particulier sont souventconsidérés comme des solutions alternatives durables aux problèmes actuels de laressource énergétique, au moins dans le domaine de l’électricité. Voyons concrètementles arguments qui soutiennent cette affirmation. L’énergie du Soleil est la source la plus renouvelable de toutes, c’est mêmel’énergie primaire de toutes les énergies présentes sur la Terre, à l’exception de lagéothermie, qui puise son énergie au cœur de la Terre. Le silicium, matériau le plus employé pour les cellules solaires, est le deuxièmematériau le plus abondant de la croûte terrestre après l’oxygène, donc si ellecontinue à exploiter le silicium, l’énergie solaire photovoltaïque préserve lesressources naturelles. L’utilisation du photovoltaïque réduit la quantité d’énergie consommée pourproduire de l’électricité. On estime aujourd’hui qu’un panneau solaire produiten quelques années seulement (4 à 6 selon les technologies) l’énergie qui a éténécessaire à sa fabrication. Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit. La production d’électricité par un générateur photovoltaïque n’émet pas de gazà effet de serre et ne génère pas de pollution comparable à celle des modes deproduction traditionnels. En 2030, selon l’EPIA, l’association européenne duphotovoltaïque1, le solaire photovoltaïque permettra de réduire les émissionsmondiales de CO2 de 1,6 milliard de tonnes par an, soit l’équivalent de 450centrales au charbon d’une puissance moyenne de 750 MW. C’est une énergie fiable et durable : les générateurs photovoltaïques sont modulaires, faciles à mettre en œuvre et à entretenir. Ils n’ont que très peu d’usureintrinsèque. Leur durée de vie est de 20 à 30 ans. Cette industrie minimise les déchets toxiques. La pollution émise lors de lafabrication des cellules solaires est relativement faible (sauf en ce qui concernecertains matériaux à risque comme le cadmium, cf. § 2.3). Et il n’y a absolumentaucune émission toxique lors de la génération d’électricité par les panneauxsolaires.1 European Photovoltaic Industry Association : www.epia.org139782100572472-Livre-Labouret.indb 1312/09/12 10:40
Introduction C’est une technologie qui favorise la santé publique et le développement humain.En apportant l’électricité dans des endroits reculés, le photovoltaïque amélioreconsidérablement le niveau de vie des habitants, tant dans le domaine de l’éducation que celui des activités agricoles et artisanales. Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit. Dans les pays producteurs de panneaux solaires mais aussi un peu partout où ilssont vendus, installés, entretenus, le photovoltaïque génère de l’activité économique et des emplois.149782100572472-Livre-Labouret.indb 1412/09/12 10:40
11.1 La lumière sous toutes ses formes Énergie lumineuseet conversion photovoltaïqueCe chapitre donne les bases physiques du phénomène lumineux,expose les caractéristiques du rayonnement solaire terrestre, samesure et les bases de données météorologiques. Il détaille également la conversion de la lumière en électricité.1.1 La lumière sous toutes ses formes Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.Quand on évoque la lumière en physique, une des premières grandeurs qui vient àl’esprit est sa vitesse, qui ne peut être égalée et encore moins dépassée. Rien ne peutaller plus vite que la lumière, et c’est sur ce postulat que repose la célèbre théorie de larelativité d’Einstein. Il a découvert que la matière (m) est énergie (E), et vice versa, etque ces grandeurs sont liées par la vitesse de la lumière au carré. C’est ce qu’exprime safameuse formule E mC2. Dans le vide, la vitesse de cette lumière C (pour célérité) estde 299 792 458 m/s, à peine plus d’une seconde pour parcourir la distance Terre-Lune1.Cette lumière apparaît donc à nos yeux comme un rayon se propageant en ligne droite,et obéissant à certaines lois, décrites par l’optique dite « géométrique » : réflexionsur une surface, réfraction (déviation du faisceau à l’entrée dans un milieu), focalisation par une lentille, diffusion sur une surface rugueuse Tous ces phénomènes sontconcernés quand il s’agit de capter la lumière dans une cellule photovoltaïque (§ 1.3.1).Mais ils n’expliquent pas tout, loin de là. Pourquoi faut-il de la lumière pour quenotre œil perçoive son environnement ? Comment la lumière peut-elle traverser leverre ? Comment se forme l’arc-en-ciel ? les questions sont multiples. Pour rendrecompte de toutes les observations, depuis le Moyen Âge, les scientifiques ont cherchéà décrire la nature profonde de la lumière et élaboré de nombreuses théories, parfoiscontradictoires.1 Pour en savoir plus, voir par exemple l’excellent ouvrage de vulgarisation : Lumière Matière, parSéverine Martrenchard-Barra, collection « Nature des Sciences », Centre de vulgarisation de laconnaissance, CNRS Éditions.159782100572472-Livre-Labouret.indb 1512/09/12 10:40
1 Énergie lumineuse et conversion photovoltaïque 1.1.1 Dualité onde-particuleLorsqu’un faisceau lumineux passe par deux fentes assez rapprochées, cela produitsur un écran placé derrière non pas deux taches de lumière mais un ensemble detaches sombres et lumineuses alternées, des interférences. Ce phénomène ne peuts’expliquer que si la lumière est une onde qui se propage dans l’espace. En effetlorsque deux ondes arrivent au même point, elles peuvent soit se renforcer, soit s’annuler, d’où l’alternance de taches sombres et brillantes sur l’écran. De nombreusesexpériences vinrent conforter cette théorie ondulatoire, notamment les observationsde l’astronome Huygens, les travaux de Young, Fresnel, Arago et Maxwell, qui miten équations la propagation des ondes lumineuses.D’autres physiciens comme Newton défendaient une autre conception de la lumière,celle d’un faisceau de particules, pour expliquer la réflexion : les grains de lumière« rebondissent » sur le miroir (comme des balles).Ce n’est qu’au xxe siècle que seront enfin réconciliées ces deux théories dites ondulatoire et corpusculaire de la lumière, grâce à la découverte du photon par Planck etEinstein. Car en pratique la lumière a bien une double nature : C’est une onde électromagnétique, soit une oscillation périodique, caractériséepar sa longueur d’onde λ (périodicité spatiale, figure 1.1) ou sa fréquence ν : plusla fréquence est élevée, plus la longueur d’onde est faible et inversement :n C,loù C est la célérité de la lumière. Dans la partie visible du spectre solaire (§ 1.2.2),la longueur d’onde se manifeste par la « couleur » de la lumière. C’est aussi un faisceau de photons qui sont comme des « grains de lumière »porteurs d’une quantité d’énergie, qui dépend de leur longueur d’onde, selon laformule de Louis de Broglie (1924) :hCl Dunod - Toute reproduction non autorisée est un délit.E hn où h est la constante de Planck.λFigure 1.1 – Définition de la longueur d’onde (λ).C’est cette énergie portée
Anne Labouret, Michel Villoz InstallatIons photovoltaïques Conception et dimensionnement d’installations raccordées au réseau 5e édition 9782100572472-Livre-Labouret.indb 3 12/09/12 10:40
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